基于CFD的某商用車HVAC除霧性能分析及優(yōu)化

莫榮博

【摘 要】為了解決客戶提出改善某重型商用車駕駛室前擋風(fēng)玻璃除霧性能的問題，基于流體力學(xué)、傳熱學(xué)理論建立駕駛室機(jī)艙模型，通過CFD數(shù)值模擬分析方法，研究并分析室內(nèi)流場環(huán)境，獲得空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）除霜除霧的主要影響因子。提出散點(diǎn)分布速度測試方案，結(jié)合風(fēng)速儀器探究室內(nèi)流場真實(shí)環(huán)境，論證空調(diào)系統(tǒng)的除霜除霧能力，驗(yàn)證建模與仿真分析的有效性和準(zhǔn)確性，結(jié)果表明仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，最后通過優(yōu)化出風(fēng)口提升除霧性能，為汽車風(fēng)窗除霧提供了有效的試驗(yàn)方法與設(shè)計依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】數(shù)值仿真;流場;CFD;除霧性能;除霧試驗(yàn)

【中圖分類號】U463.851 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）05-0056-03

汽車作為人們出行的重要交通工具之一，其安全性至關(guān)重要，而車輛前窗結(jié)霜或結(jié)霧將直接影響汽車的正常實(shí)用和行駛安全性。因此，各國都將除霜作為汽車性能的一項重要指標(biāo)，并出臺相應(yīng)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)。我國國家標(biāo)準(zhǔn)《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法》（GB 11555—2009）也要求在規(guī)定的時間內(nèi)除掉一定范圍內(nèi)的積霜積霧[1]。目前，對于車輛除霧性能的研究主要集中在小轎車和輕型客車方面。隨著物流業(yè)的高速發(fā)展，市場對重型卡車的需求日益增大，對于重型卡車除霧性能的研究和應(yīng)用也逐步得到重視[2]。而前擋風(fēng)玻璃除霜除霧效果與HVAC的設(shè)計和性能息息相關(guān)，傳統(tǒng)商用車前擋風(fēng)玻璃的除霧風(fēng)道設(shè)計主要參考國外同類產(chǎn)品，同時結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計，再通過試驗(yàn)完成驗(yàn)證。該方法無法了解風(fēng)道內(nèi)部空氣流動及出風(fēng)在風(fēng)窗玻璃近壁面速度分布情況，而且設(shè)計周期長、試驗(yàn)費(fèi)用高[3]。

隨著計算機(jī)輔助設(shè)計應(yīng)用的成熟和推廣，數(shù)值模擬分析手段逐步應(yīng)用于HVAC空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計，并在其早期開發(fā)和優(yōu)化與改進(jìn)中得到應(yīng)用[4]。然而，重型商用車駕駛室流場環(huán)境目前并無明確的測試方法，主要參照《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗(yàn)方法》，通過環(huán)模試驗(yàn)進(jìn)行對汽車空調(diào)除霜除霧性能試驗(yàn)，依據(jù)相關(guān)結(jié)論來簡單評估室內(nèi)流場環(huán)境，但該標(biāo)準(zhǔn)適用范圍僅局限于M1類車型，對N類載貨汽車沒有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[5]，僅依靠該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估，難以滿足重型商用車除霜除霧性能測試，而且在設(shè)計開發(fā)之初無法獲取室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，后期改動則耗費(fèi)大量成本與增加開發(fā)周期[6]。

本文結(jié)合客戶提出問題，基于湍流動能耗散、液-汽相變等相關(guān)理論基礎(chǔ)，通過三維軟件建立駕駛室模型，采用CFD軟件對駕駛室風(fēng)窗進(jìn)行除霧仿真分析，快速、準(zhǔn)確、直觀地觀察風(fēng)窗的除霧情況，捕捉流場流動細(xì)節(jié)，同時探究重型商用車駕駛室室內(nèi)流場環(huán)境實(shí)驗(yàn)新方法，提出散點(diǎn)分布速度測試法，對仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)測驗(yàn)證，最后對出風(fēng)口進(jìn)行優(yōu)化，大大提高了空調(diào)系統(tǒng)的除霜除霧效果。

1 理論基礎(chǔ)

重型商用車因前擋玻璃面積區(qū)域相對較大，即便除霜除霧風(fēng)口與前擋夾角角度較小，要除盡汽車前擋風(fēng)玻璃頂部也有一定困難。而且，商用車右下角為視野盲區(qū)，右上方存在下視鏡，所以對于副駕駛員座位前端玻璃A'區(qū)內(nèi)的除霜除霧要求與駕駛員前端玻璃A區(qū)是一致的，區(qū)域劃分根據(jù)《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》（GB 11562—2014）確定[7]。

汽車駕駛室內(nèi)氣體流動可視為氣體的湍流流動，它是一種無規(guī)律的流體流動狀態(tài)，具有很高的復(fù)雜性。目前，只能采用數(shù)值模擬方式模擬一些形態(tài)簡單的湍流現(xiàn)象。考慮精確性和計算效率，用得最多的就是k-ε模型，該模型引入了關(guān)于湍流動能k和湍流動能耗散ε的方程[8]。

2 模型建立與仿真分析

2.1 模型建立及邊界條件設(shè)定

根據(jù)售后收集客戶建議，提出研究東風(fēng)柳州汽車有限公司改善某重型商用車駕駛室前擋風(fēng)玻璃除霜除霧性能、提升夏天駕乘人員熱舒適性的問題。本文通過建模仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，找出問題原因，并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。首先，采用三維建模軟件CATIA建立同一車型包含駕駛室內(nèi)飾、鈑金、儀表總成、HVAC空調(diào)系統(tǒng)及假人數(shù)模的汽車駕駛室簡化模型，保持零部件的表面特征。將數(shù)模導(dǎo)入CFD軟件，采用多面體網(wǎng)格對數(shù)模進(jìn)行劃分，在出氣格柵、玻璃面區(qū)域進(jìn)行局部加密，以提高收斂性和計算精度，總網(wǎng)格數(shù)量約1 691萬。

計算采用速度入口、壓力出口和壁面3種流動邊界條件，并按表1設(shè)置計算邊界初始條件參數(shù)。

2.2 穩(wěn)態(tài)仿真分析結(jié)果

在非穩(wěn)態(tài)分析前，要對駕駛室室內(nèi)流場環(huán)境進(jìn)行分析，以了解室內(nèi)流場矢量分布情況。分析時選擇吹面吹風(fēng)模式，同時封閉除吹面出風(fēng)口外的所有出口，采用模型及穩(wěn)態(tài)算法，進(jìn)風(fēng)量為風(fēng)機(jī)調(diào)至最大擋時的風(fēng)量。進(jìn)行室內(nèi)穩(wěn)態(tài)流場分析，得到駕駛室室內(nèi)流場流線及速度矢量圖（如圖1所示）。

從圖1中室內(nèi)流場分析，可直觀地看出吹面模式下駕駛室室內(nèi)吹面流場分布，發(fā)現(xiàn)風(fēng)道及導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的不合理造成各出風(fēng)口分風(fēng)比不均勻，空氣從HVAC總成到出風(fēng)口的過程中形成多處渦流，引發(fā)渦流損耗，尤其在中間兩個出風(fēng)口入口處更為明顯。駕駛員左側(cè)風(fēng)速較大，風(fēng)量分配不均勻，對駕乘人員熱舒適性造成一定影響，臥鋪區(qū)域的風(fēng)量較小，容易造成過熱，進(jìn)一步驗(yàn)證了售后反映問題。因此，需對風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化改善。

將分析模式更換為非穩(wěn)態(tài)除霧模式，加入了時間步長對室內(nèi)除霧性能進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)分析，得到某時刻的駕駛室內(nèi)風(fēng)窗除霧瞬態(tài)效果圖（如圖2所示）。

圖2為10 s、120 s、300 s和626 s時的除霧效果，其中深藍(lán)色區(qū)域?yàn)殪F層厚度為0的區(qū)域，表明該處已完成除霜。從圖2中可以看出，在10 s時，吹向玻璃表面的暖風(fēng)開始發(fā)揮除霧特性，即將出現(xiàn)深藍(lán)色區(qū)域;在120 s時，A區(qū)、B區(qū)和A'區(qū)差不多除去1/3;在300 s時大部分區(qū)域?qū)㈧F層除盡，但區(qū)側(cè)明顯還有一條痕跡，影響駕駛員的視線;第626 s時，霧層除盡，除霧時間滿足國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，但駕乘人員的體驗(yàn)效果仍有改進(jìn)空間。

提取前擋風(fēng)玻璃弧面附近的速度流線分布圖（速度≥1 m/s）和溫度云圖，如圖3（a）和圖3（b）所示，對照圖2可以看出，在A'區(qū)除霧效果明顯較差，其原因是空調(diào)系統(tǒng)除霜除霧能力效率與速度大小分布呈正相關(guān)，低風(fēng)速區(qū)域的除霜除霧效果較差，出風(fēng)溫度高的底部除霧速率更快。A'區(qū)位置因設(shè)計儀表臺時未充分考慮室內(nèi)流場狀況，接合處無出風(fēng)口而導(dǎo)致除霧效果不佳。因此，需要優(yōu)化出風(fēng)口，提高A'區(qū)的除霧能力。

3 駕駛室流場環(huán)境測試

3.1 測試方案

為快速驗(yàn)證上述仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文選擇一臺功能齊全、正常工作的樣車進(jìn)行散點(diǎn)分布速度測試試驗(yàn)。在駕駛室室內(nèi)前擋風(fēng)玻璃及側(cè)窗玻璃表面進(jìn)行測試區(qū)域劃分與測點(diǎn)布置，做出一個矩形區(qū)域，測試如圖4所示;車輛為定置狀態(tài)，空調(diào)擋位依次從1擋調(diào)至4擋，探測器垂直于風(fēng)窗測點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)，尋找到風(fēng)速最大的角度后測試每個擋位下測點(diǎn)的最大速度，并進(jìn)行記錄。

3.2 測試結(jié)果分析

篩選最大空調(diào)擋位4擋時的測點(diǎn)風(fēng)速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按測點(diǎn)區(qū)域整理成風(fēng)速分布表，并根據(jù)風(fēng)速大小標(biāo)記相應(yīng)的顏色，對比仿真分析速度分布云圖（如圖5所示）。

從圖5可以看出，仿真分析結(jié)果的速度分布與實(shí)測的基本一致，誤差在10%以內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。

通過模擬分析該重型商用車內(nèi)部流場環(huán)境，結(jié)果表明儀表臺上出風(fēng)口設(shè)計不合理導(dǎo)致出風(fēng)流線分布不均，除霜除霧性能不佳，對試驗(yàn)樣車的實(shí)測數(shù)據(jù)與云圖對比，該處的風(fēng)速遠(yuǎn)小于需求風(fēng)速，可快速準(zhǔn)確得出室內(nèi)流場環(huán)境參數(shù)，以評估空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)性能，規(guī)避產(chǎn)品缺陷。

4 措施整改驗(yàn)證

基于上述仿真和試驗(yàn)對標(biāo)分析，在風(fēng)道設(shè)計過程中充分考慮如何提高出氣口出風(fēng)速度、合理分配風(fēng)量、減少流動死區(qū)盲區(qū)及提高出風(fēng)溫度以提升除霜除霧速率與效果。本文基于流體力學(xué)等相關(guān)理論基礎(chǔ)對除霜除霧出風(fēng)口進(jìn)行優(yōu)化，得到連續(xù)型一體式格柵出風(fēng)口，該出口接合處不再有遮擋。同時優(yōu)化了出風(fēng)角度，減少了管道渦流損耗，使各出風(fēng)口的出風(fēng)量變得均勻，優(yōu)化后出風(fēng)角度與前擋玻璃達(dá)到了30°。沖擊點(diǎn)位置剛好落在與儀表臺平面平齊位置，增強(qiáng)了空氣與玻璃的傳熱效率，達(dá)到最優(yōu)的除霜除霧視覺效果。

在盡量進(jìn)行最小設(shè)計變更之后，實(shí)行實(shí)車安裝，并對優(yōu)化后的重型商用車駕駛室進(jìn)行環(huán)模試驗(yàn)測試，結(jié)果表明，除霧線跡在第4分鐘左右，A區(qū)和A'區(qū)除霧面積超過90%，各出風(fēng)口出風(fēng)均勻，不存在低效區(qū)，第5分40秒，前擋霧層除盡，前擋玻璃各區(qū)域基本都達(dá)到要求，整個效率比之前提高了將近1倍。

5 結(jié)論

（1）通過運(yùn)用CFD分析軟件對駕駛室內(nèi)流場環(huán)境進(jìn)行模擬仿真，可以直觀了解汽車室內(nèi)流場環(huán)境及除霜除霧相變過程，找出設(shè)計缺陷，最大限度地規(guī)避風(fēng)險，有益于在產(chǎn)品開發(fā)之初了解其特性，縮短開發(fā)周期，提高汽車產(chǎn)品設(shè)計成功率。

（2）通過實(shí)車散點(diǎn)分布速度測試試驗(yàn)，獲取了前擋玻璃表面風(fēng)速分布，對比仿真分析結(jié)果，兩者基本吻合，說明了重型商用車駕駛室模型的準(zhǔn)確性和CFD數(shù)值模擬分析方法的有效性。應(yīng)用該簡易測試方法，獲取相應(yīng)關(guān)鍵參數(shù)，大幅提高了試驗(yàn)效率，節(jié)約了試驗(yàn)資源，為新車型空調(diào)除霜系統(tǒng)設(shè)計或量產(chǎn)車型空調(diào)除霧系統(tǒng)的改進(jìn)提供理論依據(jù)，具有較高的工程應(yīng)用價值。

參 考 文 獻(xiàn)

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